刘汝宽，解士聪，肖志红，李昌珠，黄志辉，叶红齐

(1.湖南省林业科学院 生物能源研究所，长沙410004； 2.中南大学 化学与化工学院，长沙410083；3.中南大学 机电工程学院，长沙410083)

应用实践

双螺旋榨油机榨笼预热过程中温度分布及有限元仿真

刘汝宽1,2，解士聪3，肖志红1，李昌珠1，黄志辉3，叶红齐2

(1.湖南省林业科学院 生物能源研究所，长沙410004； 2.中南大学 化学与化工学院，长沙410083；3.中南大学 机电工程学院，长沙410083)

采用螺旋压榨法制油时，可以通过对其榨笼辅助加热实现对油料的预热。对于辅助加热方式，采用仿真法通过榨笼表面的温度求解来反向预测榨笼内表面温度，进而为榨膛内油料的预热温度提供参考。对比榨笼外表面测定位置的仿真温度和实测温度，误差范围在-3.5%～5.5%之间，表明仿真法可应用于辅助加热过程预测。应用此法，对应主压榨段榨笼内表面的温度范围为55.4～87.3℃，能满足油料螺旋压榨的预热处理。

螺旋榨油机；榨笼温度；仿真法

油料制油技术一般包括物理压榨法和化学浸出法，对于特种油料多采用前者，其核心设备是榨油机，包括单轴液压压榨、单螺旋压榨、双螺旋压榨、多螺旋压榨等多种型号规格[1-4]。螺旋榨油机广泛应用于从植物油料中提取油脂，影响螺旋榨油机性能的因素有很多[5]，其中温度是对出油率及出油质量影响最大的因素之一[6-8]。油料螺旋压榨时，主要通过榨笼内部油料粒子之间、油料与螺杆及油料与榨笼之间的摩擦生热来维持所需的温度。但这种平衡模式是比较难保持的，尤其是在刚启动机器时温度远远达不到最佳压榨条件所要求的温度，往往需要多次预榨枯饼来逐步提高榨膛内温度，以便为压榨建立适当的初始条件。

笔者在开展蓖麻籽压榨制油的试验中发现，其高油、高蛋白质的特性往往使得直接入料压榨很难实现[9]，需要借助加热设备进行出饼头的加热，实现出饼物料成型，同时实现油脂从孔道中分离出来。因此，为提高双螺旋榨油机的压榨性能，需要设计合理的加热方案，对榨笼外表面进行预加热，通过热传导方式使榨笼内表面温度达到最佳压榨温度范围[10-13]，建立合理的压榨初始条件。本文旨在对加热参数进行理论推导和验证，并在此基础上提出满足双螺旋榨油机榨笼加热性能要求的辅助加热方式。

1 材料与方法

1.1 试验材料

YXYX-12X2型双螺旋榨油机：武汉新概念；自动加热系统，主要由1条硅橡胶温度加热带(耐热温度为200℃)、1个数显智能温控仪(0～400℃)和1个测温探头(精度为0.15℃)组成，自制；DHS-120型红外测温仪。

1.2 试验方法

1.2.1 榨笼加热方案

将6条加热带分别粘贴到双螺旋榨油机榨笼主压榨段外表面的纵向筋板上，用测温探头检测加热带的加热温度，并通过温控仪进行温度控制。当测量温度低于温控仪设置的下限温度时，继电器吸合，加热带进行加热，当测量温度高于温控仪设置的上限温度时，继电器断开，加热带停止加热，从而使测温点的温度保持在加热带设置的上下限温度范围内。为了减少热辐射，获得较好的加热效果，利用保温棉包裹加热带。

由油料路径方向的主压榨段依次设置合理的辅助加热温度，6条加热带的设置温度分别为：81、86、91、96、101、107℃，温度偏差为±1℃，平衡4 h达到稳态[14]。

1.2.2 榨笼有限元模型及测定温度

榨笼结构利用HyperMesh进行网格划分，将有限元模型导入ANSYS中进行计算，有限元模型采用10节点四面体网格划分，共生成101158个单元，185 932个节点。在榨笼外表面选取并指定其温度，对应于榨油机运行时测量得到的榨笼外表面温度(由红外测温仪测量)。

2 结果与分析

2.1 榨笼外表面测点仿真温度与实测温度对比

采用仿真分析，提取榨笼外表面测点仿真温度与实测温度进行对比，结果见表1。

由表1可知，对比榨笼外表面测点仿真温度和实测温度，误差范围在-3.5%～5.5%之间，仿真与实测的结果较为吻合，对于农业榨油机械来说在可接受的范围内，验证了仿真模型与仿真分析的正确性。

表1 榨笼外表面测点仿真温度与实测温度对比

2.2 榨笼外表面温度与内表面温度仿真

仿真验证时，进行热传导和热辐射，通过 ANSYS 瞬态仿真计算，得到双螺旋榨油机榨笼外表面的温度分布如图1A所示。从图1A可以看出，温度范围为35.0～91.6℃。

辅助加热过程再经历约4 h加热后达到稳态[14]，此时榨笼内表面的温度分布如图1B所示。从图1B可以看出，随着压榨油料的输送，会经历温度逐渐上升的过程，在接近出料时达到最大值。

图1 双螺旋榨油机榨笼外、内表面温度仿真

2.3 加热方案的可行性分析

采用榨笼辅助加热方案，考察榨笼主压榨段的内表面温度加热效果，主要包含两个关键节点的温度变化，分别为榨笼内表面最高温度变化和主压榨段榨笼内表面温度变化。

2.3.1 榨笼内表面温度最高点变化曲线

对于榨笼内表面最高温度变化，只要保证该过程的最高温度不超过油料压榨的最适温度最高值，便能有效评价该过程中的辅助加热效果，其曲线见图2。

图2 榨笼内表面温度最高点变化曲线

从图2可以看出，稳态热传导时最高温度测点的温度为87.3℃，未超过最佳压榨温度范围的最大值112℃(以蓖麻籽为例)[14]。

2.3.2 榨笼主压榨段榨笼表面温度加热效果分析

提取辅助加热过程中榨笼主压榨段(423 mm≤x≤1 008 mm)内表面测点温度，见表2。

表2 榨笼主压榨段内表面测点温度

由表2可知，辅助加热方案能够使榨笼主压榨段(423 mm≤x≤1 008 mm)内表面的温度范围达到55.4～87.3℃，在榨笼内表面的最佳压榨温度范围(55～112℃)内[14]。同时，由于预热过程未进料，待榨笼温度达到预设温度时再移除预热系统，不影响后续油料压榨制油时排油、排渣操作，因此螺旋榨油机榨笼预热方案可行。

3 结 论

本文对比了榨笼外表面测点仿真温度和实测温度，误差范围在-3.5%～5.5%之间，仿真温度与实测温度的结果较为吻合，对于农业榨油机械来说在可接受的范围内，验证了仿真模型与仿真分析的正确性。提供了一种辅助加热方案能够使榨笼主压榨段(423 mm≤x≤1 008 mm)内表面的温度范围达到55.4～87.3℃，在榨笼内表面的最佳压榨温度范围(55～112℃)内；待榨笼温度达到预设温度时再移除加热系统进行油料压榨制油，不影响后续油料压榨制油时排油、排渣操作，因此整个预热方案可行。

[1] 李昌珠. 工业油料植物资源利用新技术[M]. 北京：中国林业出版社, 2014.

[2] 张学阁, 伍毅, 阮竞兰. 双螺杆榨油机螺杆与榨笼结构的研究进展[J]. 包装与食品机械, 2012, 30(3): 47-49.

[3] 李昌珠, 肖志红, 刘汝宽. 光皮树果实专用型螺旋冷榨机的压榨性能研究[J]. 湖南林业科技, 2013, 40(2): 6-8.

[4] 许方雷. 蓖麻籽螺旋压榨机理研究与螺旋榨油机双螺杆结构设计[D]. 长沙：中南大学, 2014.

[5] 刘汝宽, 施亮林, 肖志红, 等. 压榨时间和压力对蓖麻籽压榨性能的影响及其数学拟合研究[J]. 中国粮油学报, 2014, 29(10): 51-55.

[6] 解士聪, 黄志辉, 李昌珠, 等. 1种螺旋榨油机榨膛内表面温度预估方法[J]. 华南农业大学学报, 2014, 35(6): 104-107.

[7] 刘汝宽,解士聪,肖志红,等. 蓖麻籽螺旋压榨制油过程中榨笼温度分布及其数值拟合[J]. 中国粮油学报, 2016, 31(6): 74-78.

[8] 陆顺忠, 曾辉. 蓖麻籽冷榨及蓖麻油精制研究[J]. 广西林业科学, 2005, 34(2): 55-62.

[9] 刘汝宽, 杨星星, 肖志红, 等. 蓖麻籽直筒式冷态压榨过程中出油应力应变试验[J]. 中国油脂, 2015, 40(7): 83-85.

[10] GARCIA S, GUYNN J, SEOTT E P. Use of genetic algorithms in thermal property estimation: part II—simultaneous estimation of thermal properties[J]. Numer Heat Transf, 1998, 33A:149-168.

[11] 王登科, 刘迎曦, 李守巨. 二维稳态导热反问题的正则化解法[J]. 吉林大学自然科学学报, 2000, 4(2): 56-60.

[12] 李友荣, 吴双应. 传热学[M]. 北京: 科学出版社, 2012.

[13] 俞昌铭. 计算热物性参数的导热反问题[J]. 工程热物理学报, 1982, 13(4): 373-378.

[14] 解士聪. 蓖麻籽螺旋榨油机榨膛温度与加热方法研究[D]. 长沙：中南大学, 2014.

Temperature distribution and finite element simulation of press cage in preheating process of double screw press

LIU Rukuan1,2, XIE Shicong3, XIAO Zhihong1, LI Changzhu1,HUANG Zhihui3, YE Hongqi2

(1.Institute of Bioenergy, Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004,China;2.School of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University,Changsha 410083,China;3.School of Mechanical and Electrical Engineering,Central South University, Changsha 410083, China)

When screw press was used to produce oil, oilseeds was preheated through auxiliary heating of the press cage. For auxiliary heating mode, the simulation method was adopted to backward prediction by temperature of the cage outer surface to solve temperature of cage inner surface, which provides reference for process of preheating. The simulated temperature and measured temperature of the cage outer surface were compared. The error was in the range of -3.5%-5.5%, which indicated that the simulation method could be applied to predict auxiliary heating process. Appling this method, temperatures of the inner cage surface ranged from 55.4℃ to 87.3℃ in the main squeezing part, which satisfied the preheating treatment of oilseeds by screw pressing process.

screw press; press cage temperature; simulation method

2016-06-29；

2017-02-23

国家重点研发计划(2016YFD0600802)；长沙市科技计划项目(k1508130-61)

刘汝宽(1981)，男，副研究员，博士，主要从事油料资源利用技术研究工作(E-mail)liurukuan@gmail.com。

TS223；TQ643

A

1003-7969(2017)05-0156-03